Appunti completi di Efficienza enegetica dei sistemi insediativi

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In questo caso, gli edifici stessi fungono da barriera; è perciò importante vedere la lunghezza degli

edifici, l’altezza, ma anche la profondità (manica). Questi vanno infatti ad influenzare la zona di

calma che si crea dietro agli edifici.

Va perciò esposto l’edificio in modo che la zona di calma sia massima o minima.

Forma dell’edificio

O ancor meglio, la sua compattezza. Dovrà essere compatto in un clima caldo, lungo in un clima

temperato, con corte in un clima caldo secco e con molte aperture in un clima caldo umido.

La forma si definisce con il rapporto S/V (detto anche rapporto di forma). S è la superficie

disperdente dell’involucro degli edifici, e V è il volume lordo dell’edificio. A parità di volume, Se

avrò tanta S rispetto al V, vorrà dire che l’edificio è poco compatto; avere invece un basso rapporto

S/V mi indicherà che l’edificio è molto compatto.

Questo mi indicherà quanto l’edificio è esposto al clima esterno. Nei climi freddi dovrò avere poca

S rispetto all’esterno, stessa cosa vale per i climi caldo-secchi.

Nota: la dispersione termica minima è nell’Igloo. È invece massima nelle villette monofamiliari.

Massimizzare gli apporti solari

Per massimizzare gli apporti solari ci sono più sistemi:

 Captazione solare

 Accumulo solare

 Distribuzione solare

I sistemi passivi invece sono:

Serra addossata a guadagno diretto: Ho una “serra” dove stanno le stanze tecniche (bagni etc.…) su

un lato dell’edificio, che passa il calore nell’abitazione.

Serra addossata a parete d’accumulo: poco utilizzata perché ho una parete chiusa.

Tutti questi sistemi vengono utilizzati in edifici realizzati per essere efficienti.

Minimizzare gli apporto solari

Importante è sfruttare l’inerzia termica delle strutture, cioè la capacità degli edifici di accumulare

calore.

Nei periodi estivi bisogna perciò ridurla, e questo può essere fatto con diverse modalità:

 Schermature esterne/interne

 Vegetazione schermante

 Componenti trasparenti trattati

 Componenti opachi 10

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Minimizzare gli apporto interni

Durante le stagioni estive devo stare anche attento agli elettrodomestici e ai dispositivi che creano

calore, riscaldando la casa dall’interno.

Strumenti e metodi per la progettazione bioclimatica

Utilizzeremo il programma ECOTECT.

Era un software creato da Autodesk, oggi integrato a Verter. Essendo creato per la progettazione

bioclimatica degli edifici, dispone di più strumenti.

Posso anche calcolare l’energia che posso produrre con un impianto solare-fotovoltaico.

Esercitazione

Dovremo costruire la geografia del nostro isolato. I dati potranno essere presi i dati pdf del

geoportale Torino, oppure la carta DWG.

Dovrò disegnare gli edifici intorno, così da poter calcolare gli edifici.

Partendo dal DWG dovremo salvare il file da Autocad in DXF, poi andrà importato su Ecotec.

Dopo averla importata nel progetto dovremo selezionare i Weather Data di Torino. Direttamente

su Ecotec faremo poi il 3D degli edifici, con il comando 3D editor, chiudendo poi la linea d

estrudendo la zona (Importante è deselezionare l’opzione griglia quando facciamo la selezione dei

punti).

Andando sulla vista assonometrica correggeremo l’altezza su “object transformation”. Dopo aver

creato la geometria 3D potremo vedere la geometria solare.

Lezione 5

La luce

Dal 1700 in poi i fenomeni naturali vengono spiegati tramite formule matematiche ricavate da

metodi deduttivi (osservazione). Si definiscono così leggi universali che descrivono il fenomeno

della luce:

- Newton

- Huygens

- Fresenel: diverse radiazione con diverse frequenze d’onda

- Young: studio la colorimetria

- Maxwell: onde come fenomeno luminoso con la teoria ondulatoria

- Planck

- Einstein: definisce fotoni quello scoperto da Planck 11

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La luce è un fenomeno che consente di trasmettere energia attraverso quantità discrete (quanti

fotoni di energia ho) ed è un fenomeno che si può spiegare attraverso la teoria delle onde

elettromagnetiche.

Lunghezza d’onda: percorso che ha un’onda elettromagnetica nel compiere un’intera oscillazione,

viene espressa in nano o micro-metri. -1

Frequenza: numero di oscillazioni dell’onda in un’unità di tempo, si esprime in secondi o in Hz.

Velocità C: è la velocità con la quale si propaga l’onda ed è data dal prodotto tra la lunghezza d’onda

e la sua frequenza. 8

La luce si può propagare anche nel vuoto con una velocità di C = 3*10 m/s: propagazione della luce

0

nel vuoto.

Spettro elettromagnetico: definisce tutte le onde in base alla loro lunghezza d’onda, si parte dalle

onde radio lunghe.

La luce ha una lunghezza d’onda che va dai 380 ai 780 nm, all’interno di questo intervallo è possibile

distinguere diversi colori, sotto i 380 si hanno gli ultravioletti e sopra i 780 gli infrarossi.

Flusso energetico: Espresso in Watt, energia in unità di tempo.

Intensità energetica: rapporto tra il flusso energetico emesso da una sorgente in una certa direzione

(unità di angolo solido). Per definire la direzione devo definire uno spazio, ovvero l’angolo solido.

Angolo solido: angolo nello spazio definito da un cono attorno ad una certa direzione, si utilizza lo

2

steradiante per misurare l’angolo, ed è espressa da un’area A e il raggio della sfera.

Anche la luce, come l’energia solare, si può dividere in diretta, riflessa ed assorbita. In base alla

superficie potrò calcolare il fattore di assorbimento.

Il flusso incidente è dato dalla somma tra i flussi assorbiti, riflessi, trasmessi. La somma dei

coefficienti è uguale a 1.

Coefficiente di riflessione e trasmissione in base alla superficie di contatto

 Superficie metallica liscia: la luce è speculare, l’angolo di incidenza è uguale a quello di

incidenza.

 Superficie corrugata (Es: intonaco): l’energia seguirà la legge del coseno, sarà di tipo diffuso.

Trasmissione diffusa. Non si ha più la riflessione specchiata.

 Superficie corrugata a livello macroscopico (Es: mattoni a vista): porta ad avere una

riflessione prismatica complessa, la luce viene riflessa in maniera congruente in relazione

alla corrugazione della superficie

La riflessione dipende anche dal colore della superficie, le superfici chiare riflettono molto al

contrario di quelle scure. 12

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Rifrazione della luce: (Es: remo in acqua, o cannuccia in acqua che sembra che si stia spezzando) da

un punto visivo l’acqua cambia la traiettoria della luce perché questa passa da una superficie

all’altra, passando dall’aria all’acqua, modificando la sua velocità: legge del seno.

Comfort visivo

L’occhio umano ci permette di percepire la luce attraverso una serie di ricettori. È una sfera di circa

2 cm di diametro circondato da una cornea dietro alla quale c’è l’iride, il cristallino (una lente che ci

permette di mettere a fuoco i diversi oggetti) e la retina all’interno di tutto il bulbo, dietro il bulbo

c’è la fovea dove si concentrano i nervi, poi collegati al nervo ottico collegato al cervello che elabora

i dati. I coni sono le terminazioni nervose che consentono la visibilità diurna, mentre i bastoncelli

consentono quella notturna (in scala di grigi, a bassa densità). Il campo visivo è sia orizzontale che

verticale e ha un angolo di 62° rispetto alla normale del nostro viso. Il dettaglio si modifica in base

al dettaglio con cui si vuole vedere l’oggetto.

Dovremo definire come le persone vedono in modo oggettivo. Ogni colore ha una sua radiazione e

una sua lunghezza d’onda. Esiste anche un fattore di visibilità, cioè come le persone percepiscono

le radiazioni con tonalità di colore. Si sono prese diverse tonalità di colore con una intensità

energetica, successivamente si è presa un’altra tonalità ma alla stessa intensità ottenendo il fattore

di visibilità relativo di una determinata tonalità in base ad un coefficiente di visibilità massimo.

Innanzitutto le tonalità vengono percepite diversamente di giorno e di notte. Di giorno (visione

fotopica) il colore dominante è il giallo, in visione notturna (visione scotopica) si vede meglio il verde

con lunghezza d’onda inferiore a alle tonalità diurne; ci si può spiegare con la curva di visibilità

relativa.

Flusso luminoso

Quantità di energia emessa in una unità di tempo, viene però solo contata l’energia luminosa (a

differenza del flusso energetico). Si esprime in “lumen” lm/nm. Per la luce monocromatica (con una

certa lunghezza d’onda) si può dire che attraverso il fattore di visibilità (K), il fattore luminoso è

uguale al prodotto tra il suo fattore di visibilità e la sua lunghezza d’onda.

Intensità luminosa

Come viene emesso il flusso, in tutte le direzioni, ma in particolare in quella che a noi interessa.

Flusso luminoso(lm/nm) / unità di angolo solido = candele (cd)

Luminanza

Serve a rappresentare delle sorgenti luminose non puntali ma superficiali, si andrà così a definire la

densità superficiale d’intensità luminosa. Inoltre è una grandezza vettoriale, tiene conto della

2

posizione dell’osservatore e di come l’osservatore percepisce quella emissione. Si esprime in cd/m

2

o nit (se in cm stil)

Illuminamento 2

È dato dal rapporto tra la quantità di flusso luminoso e la superficie da illuminare: lm/m ma viene

espresso in lux.

Emettenza luminosa: rapporto tra il flusso luminoso emesso e la superficie. 13

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Temperatura di colore correlata

Maggiore è la temperatura del corpo e minore sarà la lunghezza d’onda alle quali sarà assegnata

in maniera univoca una tonalità di colore.

Per definire il comfort visivo devo definire:

 La quantità di luce

 La distribuzione della luce nello spazio

 L’abbagliamento

 Il colore della luce

 La resa del contrasto

 Resa cromatica

La quantità di luce necessaria per avere un certo livello di comfort visivo dipende da tre fattori:

 Dalle caratteristiche dell’attività da compiere: con questa definisco l’illuminamento minimo

che deve esserci in un luogo (Es: a scuola, nei corridoi, in ufficio, …)

 Dalle caratteristiche del compito visivo (Es: la luce per le sale operatorie sono specifiche per

quel compito)

 Dall’attitudine visiva del soggetto

L’uniformità di illuminamento è molto importante, essa deve essere costante ed è data dal

rapporto tra il valore minimo e il valore medio dell’illuminamento.

La luce può essere percepita anche in maniera sgradevole, si parla quindi di abbagliamento.

L’abbagliamento perturbatore è quello tipico degli ambienti esterni quando, appena usciti, per

pochi istanti non si riesce a vedere. L’abbagliamento inoltre potrà essere diretto e riflesso.

Resa del contrasto

Se la luminanza tra due corpi è simile rende meno visibile la distinzione dei due corpi, al contrario

se è eccessivamente differente ho un abbagliamento.

Resa cromatica

Indica i livelli di colori, va da 0 a 100; 100 è la resa del colore del Sole. La resa cromatica dei colori,

è garantita quando una sorgente ha uno spettro di emissione uguale su tutte le lunghezze d’onda.

Se è continua la resa del colore è uguale a quella del Sole.

Lezione 6

Il PRIC

Il cosiddetto Piano Regolatore Illuminazione Comunale è uno strumento di pianificazione a livello

comunale. 14

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Inizialmente, durante gli anni ’70 si voleva solo fare luce, anche per la questione del terrorismo.

Successivamente si inizia a sensibilizzare l’opinione pubblica per quanto riguarda gli impianti ben

fatti, così da ridurre l’inquinamento luminoso.

L’AIDI negli anni ’90 inizia a dare la necessità di fare il PRIC. Inizialmente era però solo opzionale,

finché la Regione lo mise obbligatorio per i comuni più grandi.

Le motivazioni erano:

 Piano tecnico: standardizzando gli apparecchi si riducono i costi

 Piano economico: si riducono gli sprechi, riducendo le cabine di controllo delle linee.

Rifacendo poi nuovi impianti, questi potevano essere creati già secondo il piano e predisposti per

futuri lavori.

Gli obbiettivi sono:

 Sicurezza: inizialmente per il traffico veicolare, ma poi anche per i pedoni/ciclisti. Si

iniziarono ad analizzare i rischi, il colore e livelli della luce.

 Miglioramento della qualità ambientale: si inizia a pensare di non disturbare gli abitanti e le

abitazioni, ridurre l’inquinamento luminoso e proteggere i siti naturalistici.

 Risparmio energetico: si cerca di utilizzare lampade ad alta efficienza, di avere regolatori del

flusso luminoso.

 Arredo urbano e illuminazione decorativa: integrazione formale degli impianti, migliore

fruibilità degli spazi urbani secondo la destinazione urbanistica e illuminare i monumenti.

Nel 2000 il Comune di Torino redige il primo PRIC, dopodiché ne esce una nuova versione nel 2012.

Il nuovo piano aggiunge delle norme per redigere gli impianti e l’adeguamento dell’illuminazione

dei parchi.

Questo piano si adegua al Nuovo Piano Urbano del Traffico e al PUMS. Viene inoltre esteso

all’intorno dei cimiteri e alle aree commerciale e si adegua alle nuove norme UNI.

Metodologia di intervento:

1. Individuazione delle caratteristiche dei luoghi (saranno presenti più figure professionali)

2. Rilievo della situazione esistente

3. Stesura del piano

Per l’individuazione dei luoghi dovrò fare delle ricerche storiche, individuare edifici storici e

monumentali e infine individuare gli eventuali punti caratteristici.

Andranno poi individuati i proprietari degli impianti e guardare quanto sono vecchi gli impianti

presenti. Vanno poi individuate tutte le tipologie degli apparecchi presenti, per cercare di

standardizzarli, così come le tipologie di lampade (potenza, colore, resa, tipo…).

Va anche fatto un rilievo dello stato di emissione, controllando le emissioni verso l’alto.

Il PRIC si attua attraverso:

 Progetti di area (Es: quartieri) 15

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 Progetti di percorso (Es: corsi e grandi viali)

 Progetti puntuali (Es: piazze)

 Progetti per le aree verdi

I progetti puntuali si riferiscono soprattutto alle zone storiche.

Vanno anche valutati se sono presenti le zone arboree e l’uso che viene fatto da una certa strada.

Documenti del PRIC:

 Relazione tecnica illustrativa

 Planimetria stato attuale

 Planimetria indicazioni attuali luci

 Planimetria con le classificazioni delle zone

 Planimetria di progetto

 Norme di attuazione

Insieme al PRIC viene anche redatto il Piano dell’illuminazione decorativa.

2015 – Rivoluzione nelle sorgenti luminose

Dal 2015 è iniziato un radicale cambiamento nell’illuminazione notturna di Torino, con

l’introduzione dei lampioni a led da parte di Iren.

Il Led riduce le tipologie di colori luminose, a luce calda e a luce fredda (più efficienti). Si è così deciso

di utilizzare led con tonalità più calde nelle zone storiche e nei controviali, mentre sono a luce

bianche nel resto (così come nei giardini).

Lezione 7

Illuminazione artificiale

Sorgenti luminose

Ci sono varie sorgenti luminose:

 Incandescenza

 Alogene

 Fluorescenza

 Combustione

 LED

Dal 2009 si è iniziato a dismettere le lampadine a incandescenza, vietandone la vendita, perché

poco efficienti (fatta eccezione per usi specifici).

Sorgenti ad incandescenza

Sono quelle sorgenti che sfruttano il fatto di avere una sorgente ad altissima temperatura, che crea

radiazioni nel visibile. 16

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Le leggi che spiegano questo principio sono: Legge di Plank, Stephan Boltzmann, Wien (in particolare

la seconda).

Il tungsteno è uno dei materiali scelti per queste sorgenti, perché permette di emettere più

radiazioni nel visibile.

Come sono fatte:

 Bulbo di vetro: in cui dentro c’è il vuoto

 Filamento in tungsteno: che permette di raggiungere altissime temperature

 Conduttori e sostegno del filamento

 Attacco a vite

Funzionamento:

1. Il tungsteno viene percorso da una corrente elettrica

2. Il metallo si surriscalda ed emette radiazione visibile

3. I gas inerti all’interno del bulbo ritardano la sublimazione del filamento

4. Il tungsteno che sublima si deposita sulle pareti della lampadina

5. Ogni volta che ciò accade, il filamento si assottiglia, fino alla rottura.

Durano circa 1000 ore.

Sorgente alogene

Sono l’evoluzione delle lampadine a incandescenza. Il bulbo è in quarzo e di dimensioni ridotte

rispetto a quelle ad incandescenza. Dura quindi molto più di quelle a incandescenza, ma sono

comunque a bassa efficienza.

Dentro il bulbo ci sono sostanze alogene (normalmente iodio e bromo).

Funzionamento:

1. Il filamento di tungsteno, ad incandescenza, sublima

2. I vapori di tungsteno migrano verso la parete del bulbo

3. Il tungsteno combina con gli alogeni, creando degli alogenuri

4. Gli alogenuri, quando si avvicinano al filamento ad alte temperature, si dissociano e

rilasciano il tungsteno sul filamento, rigenerandolo.

Sorgenti a scarica

L’atomo è schematizzato come un nucleo intorno al quel orbitano gli elettroni, ogni orbita indica

un livello energetico. Quando si somministra una quantità di energia, l’elettrone compie un salto

orbitale e si sposta di livello. Questa condizione di eccitazione è instabile, e non appena l’energia

viene meno gli elettroni tornano alla sua condizione originale.

Quando l’elettrone torna al suo posto libera dell’energia. Questo funzionamento è spiegato dalla

Legge di Planck.

Funzionamento: 17

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1. Il tubo di scarica è un piccolo tubo con degli elettrodi sigillati al suo interno e riempito da

una miscela di gas, tra cui un metallo

2. La scarica elettrica applicata agisce sugli elettrodi e quindi sugli elettroni liberi nel gas

3. Il movimento degli elettroni provoca delle collisioni con gli atomi di metallo, dando luogo

ad una ionizzazione (innesco della scarica), e il salto orbitale degli elettroni, che emettono

poi energia per tornare in equilibrio

4. La scarica è trasferita dal gas al metallo, che la mantiene

Sorgenti a scarica fluorescenti

Sono fonti luminose con un funzionamento simile al precedente, ma che contengono uno strato di

materiale fluorescente (per esempio fosfori). Questo materiale permette di trasformare tutte le

radiazioni ultraviolette in radiazioni visibili (aumentano così l’efficienza).

Le sorgenti a scarica hanno differenti lunghezze d’onde in base al gas presente. Le sorgenti a sodio

ad alta pressione sono quelle che permettono di avere maggiori frequenze e lunghezze d’onda.

Sorgenti fluorescenti

È lo stesso principio precedente. Queste sorgenti sono poi state miniaturizzate piegandole. In alcuni

casi sono anche stati arrotolati e dotati di una vite per la lampadina.

Altre sorgenti sono:

 Sorgenti a scarica a vapori di mercurio ad alta pressione

 Sorgenti a scarica a vapori di alogenuri metallici: qui c’è una serie di additivi che permette

uno spettro d’emissione più continuo

 Sorgenti a scarica a vapori di sodio a bassa pressione

 Sorgenti a scarica a vapori di sodio ad alta pressione: ha un numero di collisioni maggiori,

permette di aumentare le lunghezze d’onda

Sorgenti ad induzione

Hanno lo stesso principio che sfrutta la legge di Planck. La differenza sta nel fatto che la scarica

avviene attraverso un generatore ad alta frequenza. Ciò crea un campo elettromagnetico che

provoca le collisioni dell’atomo di metallo.

Queste lampadine sono state studiate per aumentare la durata della sorgente.

LED

Essi non hanno elementi in movimento, e ciò porta ad avere una durata molto maggiore rispetto

alle altre.

Sono composti da:

 Strato positivo: di materiale semiconduttore, con gli elettroni di valenza

 Strato negativo: //

 In mezzo c’è lo strato attivo: attraverso ciò si provoca un movimento di elettroni, che

ricombinandosi emettono energia

Funzionamento: 18

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

1. Abbiamo un diodo, in cui uno strato è caricato positivamente, e un substrato caricato

negativamente

2. In mezzo abbiamo uno strato attivo

3. Quando arriva la tensione ai due strati, all’interno dello strato attivo gli elettroni e ioni si

ricombinano emettendo energia e luce

La durata si attesta circa sulle 100'000 ore.

Vantaggi del LED:

 È una sorgente molto piccola e ferma

 Posso localizzarla ovunque

 Aumento della durata

 Grande compattezza della sorgente luminosa

 Abbiamo sorgenti di più tonalità di colore

 Basso consumo

Caratterizzazione delle sorgenti luminose

1. Flusso luminoso

2. Efficienza luminosa

3. Durata

4. Tempo di accensione e riaccensione

5. Decadimento flusso luminoso

6. Indice resa cromatica

7. Temperatura del colore

1.Flusso luminoso

Tiene conto anche di come l’occhio vede la sorgente naturale.

Le luci alogene per esempio hanno un maggior flusso luminoso, perché hanno potenza maggiore.

Così come quelli a vapore di mercurio, che sono paragonabili a quelle a vapori di sodio a bassa

pressione.

In quella ad alta pressione aumenta il flusso minimo, mentre quelle con il flusso maggiore in

assoluto sono quelle a ioduri metallici.

I LED sono modulabili, quindi basterà modificarne il numero.

2.Efficienza luminosa

Le più efficienti sono quelle a vapori di sodio a bassa pressione, ma hanno il problema che fanno la

luce gialla, per questo sono state a lungo utilizzate per l’illuminazione stradale.

Tutte le tecnologie per migliorare la qualità dalla luce, tendono a ridurre un po’ l’efficienza.

L’efficienza luminosa nei LED è abbastanza alta. 19

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

3.Durata media

Molto importante perché influenza il costo di manutenzione degli impianti. Si va dalle 1000 ore

delle lampade ad incandescenza, alle 3000 ore di quelle alogene. Le sorgenti a scarica invece sono

più durature, in particolare quelle a vapori di mercurio, che vanno fino a 22000 ore.

Nei LED arriva anche a 100000 ore.

4.Tempo di accensione-riaccensione

Mentre nelle sorgenti ad incandescenza è immediata, in quelle a scarica non è così.

5.Decadimento del flusso luminoso

È circa del 30% durante la vita utile della fonte.

Nei LED dipende soprattutto dalla qualità di produzione.

6.Resa cromatica

Parte da un valore 100, che è la resa della luce solare (resa perfetta). Le sorgenti ad incandescenza

hanno resa anch’esse di 100. La resa è peggiore è nel vapore di sodio ad alta pressione, che è di 20-

40. Gli ioduri metallici invece sono su 80-85, che se è migliorata va sopra gli 85. La resa cromatica

nei LED è pari a 93.

7.Temperatura di colore correlata

È difficile definire un colore in modo oggettivo, perché la luce cambia il colore percepito. Si usa

perciò la temperatura di colore correlata, che è la temperatura (in gradi K°) a cui corrisponde un

colore. Le sorgenti ad incandescenza hanno temperatura alta, le alogene sono più bianche

(temperature più basse). Gli alogenuri metallici vanno dai 3000 ai 6000 K°.

Nei LED la temperatura di colore è variabile.

Parametri che caratterizzano gli apparecchi

I parametri sono:

 Indicatrice di emissione: definisce come l’apparecchio emette luce nelle diverse direzioni

 Rendimento luminoso: una sorgente luminosa, all’interno di un apparecchio, modifica la sua

resa. Questo perché l’energia viene dissipata dentro l’apparecchio

 Grado di protezione: in particolare alla polvere e all’acqua

 L’efficienza luminosa: l’inquinamento luminoso è dato dalla luce rilasciata verso l’atmosfera

Esercitazione 2

Andranno analizzati il PRIC e confrontato con il quartiere della nostra abitazione.

 Vetustà impianti

 Anomalie tra PRIC e realtà

 Tipologie sorgenti luminose 20

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

 Tipologie apparecchi

 Classificazione strade secondo il PUT

 Flusso disperso verso l’alto (esiste sia lo stato di fatto che quella progetto)

 Passare da una categoria stradale ad una categoria illuminotecnica.

Io associo ad ogni strada delle caratteristiche illuminotecnica.

Vanno anche calcolati i gradi giorno.

Lezione 8

Termodinamica

I padri della termodinamica furono:

 Carnot: scoprì la seconda legge della termodinamica

 Joule: scoprì l’equivalenza calore-lavoro, è infatti impossibile arrivare ad un rendimento del

100%

 Kelvin: scoprì che non è possibile trasformare completamente tutto il calore in lavoro

meccanico

 Clausius: scoprì che il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a uno

caldo

 Boltzman: scoprì le strutture di trasformazioni prima che l’esistenza degli atomi venne

accettata

Cos’è la termodinamica?

È una scienza che tratta le varie forme di energia, gli scambi di massa fra sistemi, le sue

trasformazioni.

Sistema termodinamico

Si definisce così il sistema termodinamico: “quantità di materia che scambia energia e massa con

l’ambiente esterno”. Ciò che separa il sistema dalla parte esterna è detta superficie di controllo.

Queste superficie può essere reale (una superficie) o immaginaria (aria).

Il sistema termodinamico una volta che subisce modificazioni scambia il suo stato interno.

Tipi di sistemi:

 Sistemi aperti: sistemi che scambiano energia e massa con l’ambiente esterno (Es: edificio)

 Sistemi chiusi: sono i sistemi che scambiano energia ma non massa con l’ambiente esterno

(Es: pentola a pressione)

 Sistemi isolati: sistemi che non scambiano né massa né energia (Es: un termos ideale)

 Sistemi adiabatici: sistemi che scambiano massa con l’esterno, ma non energia 21

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

Lo scambio di energia può avvenire tramite scambio di:

 Calore: quando c’è una differenza di temperatura tra il sistema termodinamico e l’ambiente

esterno. Per convenzione il calore è positivo quando è fornito dall’esterno verso il sistema.

 Lavoro: è uno scambio di energia indotto da una forza che va a modificare una superficie di

controllo tra il sistema e l’ambiente esterno. Per convenzione è positivo se viene prodotto

dal sistema verso l’esterno.

Una volta che il sistema scambia queste due componenti, cambia il proprio stato. Questa variazione

può essere definita tramite varie grandezze, dette variabili di stato o funzioni di stato (sono per

esempio: pressione, temperatura…). Queste si dividono in:

 Variabili termodinamiche estensive: dipendono dalla massa del sistema, rispettano legge

additiva.

 Variabili termodinamiche intensive: non dipendono dalla massa del sistema, non rispettano

la legge additiva.

Il volume per esempio è una variabile estensiva, così la massa e l’energia. Il calore è invece una

variabile intensiva, così come la pressione, temperatura e tutte quelle variabili estensive riferite

all’unità di massa (le cosiddette “grandezze specifiche”).

Quando definiamo un sistema termodinamico, vogliamo conoscere lo stato di trasformazione del

sistema, oppure le condizioni che portano il sistema da A a B.

Il sistema si dice in equilibrio termodinamico quando è contemporaneamente in:

 Equilibrio meccanico: non ho particelle in movimento

 Equilibrio chimico: non ho reazioni chimiche all’interno del sistema

 Equilibrio termico: non ho flussi termici all’interno del sistema

Quando il sistema è in equilibrio termodinamico le variabili intensive sono distribuite

uniformemente in tutti i punti del sistema.

Capendo le reazioni inoltre, posso definire le equazioni di stato. Queste ci permetteranno di capire

come cambia lo stato di un sistema (ad esempio fornendo una certa quantità di calore).

Es: P*V= n RT

Variabili di stato

Temperatura: è una variabile di stato intensiva. Viene definita come l’energia cinetica posseduta

da tutte le molecole che costituiscono un sistema.

Si misura per via indiretta, utilizzando poi una scala. Per esempio in un termometro a mercurio vedo

l’altezza del mercurio che potrò leggere con una scala. Noi utilizziamo la scala Centigrada, in

termodinamica si utilizza la temperatura assoluta, espressa in gradi Kelvin. 22

E.V. Politecnico di Torino 2016-7

Si dice che la temperatura 0 gradi assoluti corrisponde allo stato delle molecole con energia cinetica

pari a 0.

La temperatura è tarata su:

 Fusione del ghiaccio: 0°C ad un 1 atmosfera (atm).

 Ebollizione acqua distillata: 100 °C, ad 1 atm.

Per passare da °C a °K si fa: T(°K) = °C + 273,15.

1 grado centigrado corrisponde quindi a 1 °K.

I paesi anglosassoni invece utilizzano la temperatura Fahrenheit, che utilizza sempre le stesse tare,

ma che pone a 32°F lo scioglimento del ghiaccio e 212°F l’ebollizione.

T(°F) = 9/5*T(°C)+32

Energia interna (U): è data dalla somma di tutte le energie cinetiche e potenziali delle molecole che

costituiscono il sistema. Queste energia è espressa in Joule (J).

Energia interna specifica (u): è possibile passare dall’energia interna a questa, che aumenta con



l’aumentare della temperatura. Si ottiene dividendo U per la massa u= U/m

Si esprime in J/Kg.

Entalpia (H): rappresenta il contenuto energetico che un sistema termodinamico può scambiare

con un ambiente esterno, si esprime in Joule. Dipende dalla massa e dal contenuto di energia legato

alla massa scambiato, ed è il contenuto energetico potenziale che un sistema aperto può scambiare

con l’esterno. Anch’essa dipende dalla temperatura (e della temperatura interna), è una grandezza

estensiva.

Si ottiene con H= U + p * V 

Entalpia specifica (h): si ottiene dividendo H per la massa h= H/m si esprime in J/Kg.

Variabili di trasformazione

Consentono di passare da uno stato all’altro

Lavoro (L): è un trasferimento di energia che viene associato ad una forza che comporta uno

spostamento della stessa direzione della forza. La forza compie un lavoro solo se produce uno

spostamento nella stessa direzione. Si esprime in Joule. L= F * s

È positivo se è prodotto dal sistema termodinamico verso l’esterno.

La potenza meccanica invece è il lavoro effettuato in un’unità di tempo, si esprime in Watt.

Calore (Q): è una forma di energia che consente di passare da un sistema termodinamico ad un

altro. È l’energia scambiata da uno sistema all’esterno quando c’è una differenza di temperatura.

Lo strumento per calcolarlo è il Calorimetro. L’unità per misurare il calore è la kilocaloria. 23

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La kilocaloria è formata da 1Kg di acqua. Si dice che il calore corrisponde ad una Kcal quando il

calore di quell’acqua viene riscaldata di un grado centigrado.

Una Kcal corrisponde a 4186 J (in termodinamica non si usano le Kcal).

Anche qui posso parlare di calore scambiato in un’unità di tempo ottenendo quindi i Watt.

Capacità termica (C): è la capacità di un corpo di accumulare calore. È data dal rapporto tra il calore

e la sua differenza di temperatura, cioè il calore necessario a far aumentare la temperatura di un

corpo di 1°C. C= Q/ΔT

È una variabile estensiva, si misura in J/°C o J/°K.

Calore specifico (c): è il calore necessario a far aumentare un Kg di un grado. Si ottiene dividendo la

capacità termica per la massa.

Potere calorifico: in un materiale individua qual è il calore estraibile da un materiale, attraverso la

combustione completa dell’unità di massa di quel materiale. Qualsiasi materiale bruciando produce

calore; ci sono materiali combustibili che creano una notevole quantità di calore.

 3

Viene espresso in calore per unità massa o volume HC= Q /M = MJ/m o MJ/Kg

comb comb

N.b: MJ= Mega joule.

In una caldaia… Q= M *HC*η

comb Cald

Ogni materiale ha il suo potere calorifico, ci sono perciò diverse tabelle in cui sono segnati.

I principi della termodinamica

Primo principio: La conservazione dell’energia.

“Nulla si crea, nulla su distrugge, tutto si trasforma”. L’energia non si genera ma si trasferisce e si

trasforma.

Ogni sistema termodinamico, quando scambia calore e lavoro con l’ambiente esterno, cambia il suo

stato, cioè la propria quantità di energia interna.

Equivalenza calore-lavoro= energia (J)

Flusso termico e potenza termica= Watt

Non ci sono limiti alla conversione del calore in lavoro.

 Sistema chiuso: la quantità di calore Q ceduta al sistema dev’essere uguale all’aumento della

temperatura interna U. La somma di Q ceduto e L compiuto dev’essere uguale all’aumento

di U.

 Sistema aperto: la quantità di calore Q ceduta ad un sistema deve essere uguale all’aumento

dell’energia interna U del sistema stesso.

Secondo principio: trasformazione dell’energia 24

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Tutto il lavoro può essere trasformato in calore, ma non viceversa. Inoltre, il calore passa

spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo.

Ci sono perciò dei vincoli sulla trasformazione dell’energia. Ogni volta che l’energia si trasforma,

questa si degrada, questo perché tutti i processi naturali sono irreversibili e impediscono al sistema

termodinamico di ritornare in modo spontaneo alla situazione di partenza.

Maggiore sarà la temperatura alla quale io fornisco il calore, maggiore sarà la qualità dell’energia,

cioè riuscirò ad estrarre più lavoro. La qualità dell’energia posso misurarla con il rendimento di

secondo principio.

In una scala, in cima ci sarà il lavoro, dopodiché l’energia elettrica e dopo il calore ad alta

temperatura.

Motori o macchine termiche

Sono macchine con un processo ciclico che mi permettono di trasformare il calore (energia termica)

in lavoro meccanico.

Macchine termiche a ciclo diretto:

Questi motori ricevono calore da una sorgente ad alta temperatura, e hanno l’obbiettivo di avere

calore. Queste macchine però disperdono una quota di calore nell’ambiente esterno, che è un

“pozzo a bassa temperatura” (Es: dissipatori).

Macchine termiche a ciclo indiretto:

Questi motori prendono il calore da un ambiente più freddo e lo immettono in uno più caldo.

Naturalmente questo è impossibile, per funzionare infatti necessitano di una fonte di lavoro.

Sono per esempio i frigoriferi e le pompe di calore.

Rendimento (η)

Mi forniscono il beneficio su spesa. Non valuto perciò la qualità dell’energia, ma solamente il

beneficio rispetto alla spesa.

Appunti completi e revisionati di Efficienza enegetica dei sistemi insediativi della professoressa Guglielmina Mutani. Contiene anche informazioni utili per le esercitazioni da fare durante l'anno.

Argomenti principali:
Grandezze del clima esterno; il clima come elemento di progetto e il ruolo del verde; fondamenti di energetica; fondamenti di bioclimatica; metodi di valutazione dell'ecompatibilità sulla progettazione microurbana; fondamenti di acustica; inquinamento acustico negli insediamenti urbani, mitigazione e zonizzazione; fondamenti di illuminazione e Piano Regolatore dell'illuminazione Comunale (PRIC).

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